JP2018056304A - Switching device and manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示の技術は、スイッチング装置とその製造方法に関する。 The technology disclosed in the present specification relates to a switching device and a manufacturing method thereof.
特許文献1に、トレンチ内に配置されたゲート電極を備えるスイッチング装置が開示されている。このスイッチング装置は、n型のソース領域とp型のボディ領域とn型のドリフト領域を有する。ソース領域、ボディ領域及びドリフト領域は、トレンチの側面においてゲート絶縁層に接している。また、このスイッチング装置は、トレンチの底面に接するp型の底部半導体領域を有している。底部半導体領域は、トレンチの長手方向に沿って伸びている。さらに、このスイッチング装置は、トレンチの側面の一部に沿って伸びるp型の接続半導体領域を有している。接続半導体領域は、ボディ領域と底部半導体領域に接続されている。 Patent Document 1 discloses a switching device including a gate electrode disposed in a trench. This switching device has an n-type source region, a p-type body region, and an n-type drift region. The source region, the body region, and the drift region are in contact with the gate insulating layer on the side surface of the trench. The switching device also has a p-type bottom semiconductor region in contact with the bottom surface of the trench. The bottom semiconductor region extends along the longitudinal direction of the trench. Further, this switching device has a p-type connection semiconductor region extending along a part of the side surface of the trench. The connection semiconductor region is connected to the body region and the bottom semiconductor region.
このスイッチング装置がオフするときには、底部半導体領域からドリフト領域に空乏層が伸びる。この空乏層によって、底部半導体領域の近傍(すなわち、トレンチの底部近傍)における電界集中が抑制される。 When the switching device is turned off, a depletion layer extends from the bottom semiconductor region to the drift region. This depletion layer suppresses electric field concentration in the vicinity of the bottom semiconductor region (that is, in the vicinity of the bottom of the trench).
ゲート電極に所定の電位が印加されると、ゲート絶縁層近傍のボディ領域にチャネルが形成される。これによって、ドリフト領域からソース領域に主電流が流れる。つまり、スイッチング装置がオンする。また、スイッチング装置がオンするときには、接続半導体領域を介してボディ領域から底部半導体領域に電荷が供給される。底部半導体領域に電荷が供給されると、底部半導体領域からドリフト領域に広がっていた空乏層が底部半導体領域に向かって収縮する。このため、スイッチング装置がオンするときにドリフト領域の抵抗が低下する。したがって、主電流が低損失でドリフト領域を流れることができる。 When a predetermined potential is applied to the gate electrode, a channel is formed in the body region near the gate insulating layer. As a result, a main current flows from the drift region to the source region. That is, the switching device is turned on. Further, when the switching device is turned on, charges are supplied from the body region to the bottom semiconductor region via the connection semiconductor region. When charge is supplied to the bottom semiconductor region, the depletion layer that has spread from the bottom semiconductor region to the drift region contracts toward the bottom semiconductor region. For this reason, the resistance of the drift region decreases when the switching device is turned on. Therefore, the main current can flow through the drift region with low loss.
スイッチング装置がオンしているときに、接続半導体領域が設けられている範囲には主電流が流れない。したがって、主電流の経路を広く確保するために、接続半導体領域は、トレンチの側面の一部にのみ形成される。 When the switching device is on, the main current does not flow in the range where the connection semiconductor region is provided. Therefore, in order to ensure a wide path for the main current, the connection semiconductor region is formed only on a part of the side surface of the trench.
底部半導体領域は、トレンチの長手方向に沿って伸びている。また、接続半導体領域は、トレンチの側面の一部のみに設けられている。したがって、底部半導体領域の一部(以下、特定部分という)は、接続半導体領域から長距離離れた位置に配置されている。このため、底部半導体領域の特定部分と接続半導体領域の間に比較的高い抵抗が存在する。したがって、スイッチング装置がオンするときに、接続半導体領域から底部半導体領域に供給された電荷が特定部分にまで到達するのに時間がかかり、特定部分の周囲の空乏層の収縮が遅くなる。その結果、特定部分の周囲のドリフト領域の抵抗が低下し難く、この部分で損失が高くなる。したがって、本明細書では、オンするときの損失をより低減することが可能なスイッチング装置を提供する。 The bottom semiconductor region extends along the longitudinal direction of the trench. Further, the connection semiconductor region is provided only in a part of the side surface of the trench. Therefore, a part of the bottom semiconductor region (hereinafter referred to as a specific portion) is arranged at a position that is separated from the connection semiconductor region by a long distance. For this reason, a relatively high resistance exists between a specific portion of the bottom semiconductor region and the connection semiconductor region. Therefore, when the switching device is turned on, it takes time for the charge supplied from the connection semiconductor region to the bottom semiconductor region to reach the specific portion, and the contraction of the depletion layer around the specific portion is delayed. As a result, the resistance of the drift region around the specific portion is difficult to decrease, and the loss increases in this portion. Therefore, the present specification provides a switching device that can further reduce loss when turned on.
本明細書が開示するスイッチング装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、前記トレンチの底面に接するように前記トレンチの長手方向に沿って伸びる導体層と、前記導体層の上面を覆う底部絶縁層と、前記底部絶縁層よりも上側の前記トレンチの側面を覆うゲート絶縁層と、前記トレンチの内部に配置されており、前記底部絶縁層及び前記ゲート絶縁層によって前記半導体基板及び前記導体層から絶縁されているゲート電極を有する。前記半導体基板が、前記ゲート絶縁層に接する第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の下側で前記ゲート絶縁層に接する第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁層に接するとともに前記ボディ領域によって前記第1半導体領域から分離されている第1導電型の第2半導体領域と、前記導体層に接するように前記トレンチの長手方向に沿って伸びるとともに前記第2半導体領域に接する第2導電型の底部半導体領域と、前記トレンチの側面の一部に沿って伸びるとともに前記ボディ領域と前記底部半導体領域に接続されている第2導電型の接続半導体領域を有する。 The switching device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a trench provided on an upper surface of the semiconductor substrate, a conductor layer extending along a longitudinal direction of the trench so as to be in contact with a bottom surface of the trench, and the conductor layer A bottom insulating layer covering the upper surface of the semiconductor substrate, a gate insulating layer covering a side surface of the trench above the bottom insulating layer, and an inside of the trench, and the semiconductor is formed by the bottom insulating layer and the gate insulating layer. A gate electrode insulated from the substrate and the conductor layer; A first conductive type first semiconductor region in contact with the gate insulating layer; a second conductive type body region in contact with the gate insulating layer below the first semiconductor region; and A second semiconductor region of a first conductivity type that is in contact with the gate insulating layer on the lower side and is separated from the first semiconductor region by the body region, and along a longitudinal direction of the trench so as to be in contact with the conductor layer A second conductivity type bottom semiconductor region extending and in contact with the second semiconductor region; and a second conductivity type connection extending along a part of a side surface of the trench and connected to the body region and the bottom semiconductor region It has a semiconductor region.
なお、第1導電型と第2導電型の一方がn型であり、他方がp型である。 One of the first conductivity type and the second conductivity type is n-type, and the other is p-type.
このスイッチング装置は、トレンチの底部に接するようにトレンチの長手方向に沿って伸びる導体層を有している。また、底部半導体領域が、導体層に接するようにトレンチの長手方向に沿って伸びている。導体層の抵抗が低いので、スイッチング素子がオンするときに接続半導体領域から供給される電荷が、導体層を介してトレンチの長手方向に高速で移動することができる。このため、接続半導体領域から供給される電荷が、上述した特定部分(すなわち、接続半導体領域から長距離離れた部分の底部半導体領域)へ短時間で到達することができる。つまり、接続半導体領域の全体に短時間で電荷が供給される。したがって、接続半導体領域の全体の周囲で空乏層が高速で収縮し、接続半導体領域の全体の周囲のドリフト領域の抵抗が短時間で低下する。このため、ターンオン時の損失が抑制される。 This switching device has a conductor layer extending along the longitudinal direction of the trench so as to be in contact with the bottom of the trench. The bottom semiconductor region extends along the longitudinal direction of the trench so as to contact the conductor layer. Since the resistance of the conductor layer is low, the charge supplied from the connection semiconductor region when the switching element is turned on can move at high speed in the longitudinal direction of the trench through the conductor layer. For this reason, the electric charge supplied from the connection semiconductor region can reach the above-described specific portion (that is, the bottom semiconductor region at a long distance from the connection semiconductor region) in a short time. That is, charge is supplied to the entire connection semiconductor region in a short time. Therefore, the depletion layer contracts at high speed around the entire connection semiconductor region, and the resistance of the drift region around the entire connection semiconductor region decreases in a short time. For this reason, the loss at the time of turn-on is suppressed.
また、本明細書は、スイッチング装置の好適な製造方法を提供する。この製造方法は、半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの底面が露出するように前記トレンチの側面を覆う保護膜を成膜する工程と、前記保護膜と前記トレンチの底面を覆う金属層を形成する工程と、前記金属層を加熱することによって前記金属層と前記トレンチの底面が合金化した導体層を形成する工程と、前記導体層が残存するように前記保護膜を覆う前記金属層をエッチングにより除去する工程と、前記導体層と前記トレンチを用いてスイッチング装置を完成させる工程を有する。前記スイッチング装置が、前記導体層の上面を覆う底部絶縁層と、前記底部絶縁層よりも上側の前記トレンチの側面を覆うゲート絶縁層と、前記トレンチの内部に配置されているとともに前記底部絶縁層及び前記ゲート絶縁層によって前記半導体基板及び前記導体層から絶縁されているゲート電極と、前記ゲート絶縁層に接する第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の下側で前記ゲート絶縁層に接する第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁層に接するとともに前記ボディ領域によって前記第1半導体領域から分離されている第1導電型の第2半導体領域と、前記導体層に接するように前記トレンチの長手方向に沿って伸びるとともに前記第2半導体領域に接する第2導電型の底部半導体領域と、前記トレンチの側面の一部に沿って伸びるとともに前記ボディ領域と前記底部半導体領域に接続されている第2導電型の接続半導体領域を有する。 The present specification also provides a preferred method for manufacturing a switching device. The manufacturing method includes forming a trench on an upper surface of a semiconductor substrate, forming a protective film covering a side surface of the trench so that a bottom surface of the trench is exposed, and forming the protective film and the bottom surface of the trench. Forming a covering metal layer; heating the metal layer to form a conductor layer in which the bottom surface of the metal layer and the trench is alloyed; and covering the protective film so that the conductor layer remains A step of removing the metal layer by etching, and a step of completing a switching device using the conductor layer and the trench. The switching device is disposed inside the trench and the bottom insulating layer, the bottom insulating layer covering the top surface of the conductor layer, the gate insulating layer covering the side surface of the trench above the bottom insulating layer, And a gate electrode insulated from the semiconductor substrate and the conductor layer by the gate insulating layer, a first semiconductor region of a first conductivity type in contact with the gate insulating layer, and the gate below the first semiconductor region A body region of a second conductivity type in contact with the insulating layer, and a second semiconductor region of the first conductivity type in contact with the gate insulating layer below the body region and separated from the first semiconductor region by the body region A bottom semiconductor region of a second conductivity type that extends along the longitudinal direction of the trench so as to contact the conductor layer and that contacts the second semiconductor region; Serial having said connection semiconductor region of a second conductivity type which is connected to the body region and the bottom semiconductor region with extending along a portion of the side surface of the trench.
なお、スイッチング装置を完成させる工程の一部(例えば、第1半導体領域、ボディ領域等の半導体領域の形成工程)を、金属層をエッチングする工程よりも前の任意のタイミング(例えば、トレンチを形成する工程の前)で行ってもよい。 Note that a part of the process for completing the switching device (for example, a process for forming a semiconductor region such as the first semiconductor region or the body region) is performed at an arbitrary timing (for example, a trench is formed before the process for etching the metal layer). May be performed in the step before).
この製造方法では、金属層を形成する工程において、トレンチの底面では金属層と半導体基板が接触し、トレンチの側面では保護膜と金属層が接触するように金属層が形成される。その後、金属層を加熱すると、トレンチの底面において金属層とトレンチの底面(すなわち、半導体基板を構成する半導体材料)が合金化する。これによって、トレンチの底面に導体層が形成される。トレンチの側面では、金属層が半導体基板に接していないので、合金が形成されない。その後、合金化しなかった金属層を除去することで、導体層がトレンチの底部に残存する。この方法によれば、トレンチの底部に導体層を容易に形成することができる。 In this manufacturing method, in the step of forming the metal layer, the metal layer is formed such that the metal layer and the semiconductor substrate are in contact with each other on the bottom surface of the trench, and the protective film and the metal layer are in contact with each other on the side surface of the trench. Thereafter, when the metal layer is heated, the metal layer and the bottom surface of the trench (that is, the semiconductor material constituting the semiconductor substrate) are alloyed at the bottom surface of the trench. As a result, a conductor layer is formed on the bottom surface of the trench. On the side surface of the trench, the metal layer is not in contact with the semiconductor substrate, so that no alloy is formed. Thereafter, by removing the metal layer that has not been alloyed, the conductor layer remains at the bottom of the trench. According to this method, the conductor layer can be easily formed at the bottom of the trench.
図1〜3は、実施形態のMOSFET10を示している。図2、3に示すように、MOSFET10は、半導体基板12と、電極、絶縁層等を備えている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板12の上面12a上の電極、絶縁層の図示を省略している。以下では、半導体基板12の上面12aと平行な一方向をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向をy方向といい、半導体基板12の厚み方向をz方向という。
1-3 have shown MOSFET10 of embodiment. As shown in FIGS. 2 and 3, the
半導体基板12は、SiCにより構成されている。図2に示すように、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。図1に示すように、各トレンチ22は、y方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチ22は、x方向に間隔を開けて配列されている。図2、3に示すように、各トレンチ22の内部に、導体層40、底部絶縁層24、ゲート絶縁層25及びゲート電極26が配置されている。
The
図2、3に示すように、導体層40は、トレンチ22の底面上に設けられている。導体層40は、トレンチ22の底面に接している。図3に示すように、導体層40は、トレンチ22の長手方向(すなわち、y方向)に沿って長く伸びている。導体層40は、トレンチ22の長手方向において、トレンチ22の一方の端部22a近傍の位置から他方の端部22b近傍の位置まで伸びている。導体層40は、金属化合物(例えば、ニッケルシリサイド)により構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
底部絶縁層24は、トレンチ22の底部に配置されている。底部絶縁層24は、導体層40の上面を覆っている。また、底部絶縁層24は、トレンチ22の底面近傍において、トレンチ22の側面を覆っている。底部絶縁層24は、トレンチ22の深さ方向に厚く形成されている。底部絶縁層24は、酸化シリコンにより構成されている。
The bottom insulating
ゲート絶縁層25は、底部絶縁層24の上部に位置するトレンチ22の側面を覆っている。ゲート絶縁層25は、酸化シリコンにより構成されている。
The
ゲート電極26は、底部絶縁層24の上部に配置されている。すなわち、ゲート電極26とトレンチ22の底面の間の絶縁層が、底部絶縁層24である。また、ゲート電極26とトレンチ22の側面の間の絶縁層が、ゲート絶縁層25である。ゲート電極26は、ゲート絶縁層25と底部絶縁層24によって半導体基板12から絶縁されている。また、ゲート電極26は、ゲート絶縁層25と底部絶縁層24によって導体層40から絶縁されている。ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。
The
ゲート絶縁層25の厚み(すなわち、トレンチ22の側面とゲート電極26の側面の間の間隔)は、底部絶縁層24の厚み(すなわち、底部絶縁層24の上面と下面の間の幅(言い換えると、ゲート電極26の下端とトレンチ22の底面の間の間隔))よりも薄い。
The thickness of the gate insulating layer 25 (that is, the distance between the side surface of the
半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。
An
図1〜3に示すように、半導体基板12の内部には、複数のソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域34、ドレイン領域35、複数の底部半導体領域36及び複数の接続半導体領域38が設けられている。
As shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of
各ソース領域30は、n型領域である。図1、2に示すように、各ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに露出しており、上部電極70にオーミック接触している。また、各ソース領域30は、トレンチ22の短手方向の側面(短手方向の端部に位置する側面であり、y方向に沿って伸びる側面)において、ゲート絶縁層25に接している。各ソース領域30は、トレンチ22の上端部において、ゲート絶縁層25に接している。
Each
ボディ領域32は、p型領域である。ボディ領域32は、各ソース領域30に接している。ボディ領域32は、2つのソース領域30に挟まれた各範囲から各ソース領域30の下側まで伸びている。ボディ領域32は、低濃度領域32bと複数の高濃度領域32aを有している。各高濃度領域32aは、低濃度領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。各高濃度領域32aは、2つのソース領域30に挟まれた各範囲に配置されている。各高濃度領域32aは、上部電極70にオーミック接触している。低濃度領域32bは、各高濃度領域32aと各ソース領域30の下側に配置されている。低濃度領域32bは、トレンチ22の短手方向の側面において、ゲート絶縁層25に接している。すなわち、低濃度領域32bは、各ソース領域30の下側で、ゲート絶縁層25に接している。また、図1、3に示すように、低濃度領域32bは、トレンチ22の長手方向の側面(長手方向の端部に位置する側面であり、x方向に沿って伸びる側面)に隣接する範囲にも配置されている。低濃度領域32bは、トレンチ22の長手方向の側面において、ゲート絶縁層25に接している。ボディ領域32の下端(すなわち、低濃度領域32bの下端)は、ゲート電極26の下端(すなわち、底部絶縁層24の上面)よりも上側に配置されている。
ドリフト領域34は、n型領域である。ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側に配置されており、ボディ領域32によって各ソース領域30から分離されている。ドリフト領域34は、トレンチ22の短手方向の側面において、ゲート絶縁層25及び底部絶縁層24に接している。すなわち、ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側で、ゲート絶縁層25及び底部絶縁層24に接している。
The
ドレイン領域35は、n型領域である。ドレイン領域35は、ドリフト領域34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン領域35は、ドリフト領域34の下側に配置されている。ドレイン領域35は、半導体基板12の下面12bに露出している。ドレイン領域35は、下部電極72にオーミック接触している。
The
各底部半導体領域36は、p型領域である。各底部半導体領域36は、対応するトレンチ22の底面に露出する範囲に配置されている。各底部半導体領域36は、対応するトレンチ22の底面において、導体層40に接している。図3に示すように、各底部半導体領域36は、対応するトレンチ22の底面に沿ってy方向に長く伸びている。各底部半導体領域36は、対応するトレンチ22の一方の端部22aから他方の端部22bまで伸びている。図2に示すように、各底部半導体領域36の周囲は、ドリフト領域34に囲まれている。後述する接続半導体領域38が形成されている箇所を除いて、各底部半導体領域36は、ドリフト領域34によってボディ領域32から分離されている。また、各底部半導体領域36は、ドリフト領域34によって互いから分離されている。
Each
図1、3に示すように、各接続半導体領域38は、対応するトレンチ22の長手方向の側面に露出する範囲に配置されている。各接続半導体領域38は、トレンチ22の長手方向の側面に沿ってz方向に長く伸びている。図3に示すように、各接続半導体領域38の下端は、対応する底部半導体領域36に接続されている。各接続半導体領域38の上端は、ボディ領域32(低濃度領域32b)に接続されている。すなわち、各接続半導体領域38は、ボディ領域32と底部半導体領域36に接続されている。なお、本明細書では、トレンチ22の側面に沿ってボディ領域32から底部半導体領域36に向かって長く伸びている部分を、接続半導体領域38という。つまり、半導体基板12の上面12aに沿って横方向に分布しているp型領域がボディ領域32であり、そのボディ領域32からトレンチ22の側面に沿って下方向に突出している部分が、接続半導体領域38である。図3に示すように、各接続半導体領域38は、対応するトレンチ22の長手方向の側面において、ゲート絶縁層25と底部絶縁層24に接している。各接続半導体領域38のp型不純物濃度は、各底部半導体領域36のp型不純物濃度よりも低い。
As shown in FIGS. 1 and 3, each
次に、MOSFET10の動作について説明する。MOSFET10の使用時には、MOSFET10と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。MOSFET10と負荷の直列回路に対して、電源電圧(本実施形態では、約800V)が印加される。MOSFET10のドレイン側(下部電極72)がソース側(上部電極70)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加すると、ゲート絶縁層25に接する範囲のボディ領域32(低濃度領域32b)にチャネル(反転層)が形成され、MOSFET10がオンする。ゲート電極26にゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)を印加すると、チャネルが消滅し、MOSFET10がオフする。以下に、MOSFET10のターンオフ時とターンオン時の動作について、詳細に説明する。なお、導体中にホールは存在しないが、以下では、説明の都合上、半導体と導体の間でホールに相当する電荷が流れる場合に、ホールに相当する電荷が導体中を流れることを、導体中をホールが流れるという場合がある。
Next, the operation of the
MOSFET10をターンオフさせる場合には、ゲート電極26の電位をゲートオン電位からゲートオフ電位に引き下げる。すると、チャネルが消失し、下部電極72の電位が上昇する。下部電極72の電位は、上部電極70に対して電源電圧分(すなわち、約800V)だけ高い電位まで上昇する。下部電極72の電位が上昇する過程において、底部半導体領域36と下部電極72の間の容量結合によって、底部半導体領域36の電位が少し上昇する。すると、底部半導体領域36から導体層40、接続半導体領域38及びボディ領域32を介して上部電極70へホールが流れる。より詳細には、底部半導体領域36内のホールは、底部半導体領域36と導体層40の内部をトレンチ22の長手方向に沿って流れる。底部半導体領域36が導体層40に接しており、導体層40の抵抗が底部半導体領域36の抵抗よりも遥かに低いので、ホールは、主に導体層40の内部を通ってトレンチ22の長手方向に沿って流れる。導体層40の抵抗が極めて低いので、ホールは導体層40内をトレンチ22の長手方向に沿って高速で流れる。導体層40及び底部半導体領域36に沿ってトレンチ22の端部22aまたは22bまで流れたホールは、接続半導体領域38及びボディ領域32を介して上部電極70へ流れる。このようにホールが流れている間は、底部半導体領域36の電位の上昇が抑制され、底部半導体領域36の電位が上部電極70の電位よりもわずかに高い電位に維持される。導体層40によってホールがトレンチ22の長手方向に沿って高速で流れることが可能とされているので、接続半導体領域38から遠い位置の底部半導体領域36(すなわち、トレンチ22の長手方向の中央部22cに位置する部分の底部半導体領域36(図3参照))からも短時間でホールが排出される。したがって、中央部22cに位置する部分でも電位の上昇が効果的に抑制される。
When the
また、下部電極72の電位の上昇に伴って、ドレイン領域35及びドリフト領域34の電位も上昇する。ドリフト領域34の電位が上昇すると、ボディ領域32とドリフト領域34の間に電位差が生じる。このため、ボディ領域32とドリフト領域34の界面のpn接合に逆電圧が印加される。したがって、ボディ領域32からドリフト領域34に空乏層が広がる。また、ドリフト領域34の電位が上昇すると、底部半導体領域36とドリフト領域34の間に電位差が生じる。このため、底部半導体領域36とドリフト領域34の界面のpn接合に逆電圧が印加される。したがって、底部半導体領域36からドリフト領域34に空乏層が広がる。このようにドリフト領域34内に空乏層が広がることで、ドリフト領域34内における電界集中が抑制される。特に、底部半導体領域36から広がる空乏層によって、トレンチ22の底面近傍における電界集中が抑制される。
As the potential of the
また、ドリフト領域34の電位が上昇すると、接続半導体領域38とドリフト領域34の界面のpn接合にも逆電圧が印加される。接続半導体領域38のp型不純物濃度が低いので、pn接合から接続半導体領域38に広く空乏層が広がる。これによって、接続半導体領域38が空乏化される。接続半導体領域38が空乏化されることによって、底部半導体領域36が上部電極70から電気的に分離される。
Further, when the potential of the
底部半導体領域36がボディ領域32から電気的に分離されると、底部半導体領域36から上部電極70に向かうホールの流れが停止し、底部半導体領域36の電位がフローティングとなる。このため、底部半導体領域36の電位が、下部電極72の電位の上昇に伴って上昇する。このように、底部半導体領域36の電位がある程度上昇することで、底部半導体領域36と下部電極72の間の電位差が過大となることが防止される。下部電極72の電位が上部電極70に対して電源電圧分高い電位まで上昇することで、MOSFET10のターンオフか完了する。
When the
MOSFET10をターンオンさせる場合には、ゲート電極26の電位をゲートオフ電位からゲートオン電位に引き上げる。すると、トレンチ22の短手方向の側面においてゲート絶縁層25に接している範囲のボディ領域32(低濃度領域32b)に電子が引き寄せられる。これによって、この範囲のボディ領域32がp型からn型に反転し、チャネルが形成される。チャネルによって、ソース領域30とドリフト領域34が接続される。これによって、ドリフト領域34、ドレイン領域35及び下部電極72の電位が低下する。ドリフト領域34の電位が低下すると、ボディ領域32とドリフト領域34の界面のpn接合に印加されていた逆電圧が低下する。このため、ボディ領域32からドリフト領域34に広がっていた空乏層が、ボディ領域32に向かって収縮する。これにより、上部電極70から、ソース領域30、チャネル、ドリフト領域34、ドレイン領域35を経由して下部電極72へ電子が流れるようになる。すなわち、MOSFET10がオンする。
When the
また、ドリフト領域34の電位が低下する過程において、接続半導体領域38に広がっている空乏層が、ドリフト領域34に向かって収縮して略消滅する。その結果、底部半導体領域36が、ボディ領域32に電気的に接続される。すると、上部電極70からボディ領域32、接続半導体領域38及び導体層40を介して底部半導体領域36にホールが流れる。より詳細には、上部電極70から、ボディ領域32と接続半導体領域38を介して導体層40と底部半導体領域36へホールが流れる。導体層40の抵抗が底部半導体領域36の抵抗よりも遥かに低いので、ホールは、主に導体層40の内部を通ってトレンチ22の長手方向に沿って流れる。導体層40を介して、底部半導体領域36の全体にホールが供給される。底部半導体領域36にホールが供給されると、底部半導体領域36からドリフト領域34に広がっていた空乏層が底部半導体領域36に向かって収縮する。このため、ドリフト領域34の抵抗が低下し、上部電極70から下部電極72に向かって電子が流れ易くなる。このため、ドリフト領域34で損失が生じ難い。特に、本実施形態では、導体層40の抵抗が極めて低いので、ホールは導体層40内をトレンチ22の長手方向に沿って高速で流れることが可能とされている。このため、接続半導体領域38から遠い位置の底部半導体領域36(すなわち、中央部22cに位置する部分の底部半導体領域36)にも短時間でホールが供給される。したがって、底部半導体領域36の全体に短時間でホールが供給される。このため、底部半導体領域36全体の周囲で、ドリフト領域34に広がっていた空乏層を高速で収縮させることができる。したがって、このMOSFET10では、ゲート電極26の電位をゲートオン電位に引き上げてから短時間でドリフト領域34の抵抗が低下する。すなわち、このMOSFET10は、ターンオンするときに短時間でオン抵抗が低下する。したがって、このMOSFET10では、損失が生じ難い。
In addition, in the process in which the potential of the
以上に説明したように、MOSFET10では、ターンオン時に、導体層40を介して底部半導体領域36全体に短時間でホールが供給される。このため、底部半導体領域36全体の周囲において、底部半導体領域36からドリフト領域34に広がっている空乏層を短時間で収縮させることができる。したがって、MOSFET10では、ターンオン時に損失が生じ難い。
As described above, in the
次に、MOSFET10の製造方法について説明する。まず、図4に示すように、ドレイン領域35、ドリフト領域34、ボディ領域32及びソース領域30を備える半導体基板12x(MOSFET10の材料となる半導体基板)を準備する。半導体基板12xは、SiCによって構成されている。ドリフト領域34は、ドレイン領域35上にエピタキシャル成長によって形成された領域である。ボディ領域32とソース領域30は、エピタキシャル成長またはイオン注入によって形成された領域である。
Next, a method for manufacturing
次に、図5に示すように、半導体基板12xの上面12aを部分的にエッチングすることによって、複数のトレンチ22を形成する。トレンチ22は、ソース領域30とボディ領域32を貫通してドリフト領域34に達するように形成される。
Next, as shown in FIG. 5, the plurality of
次に、図6に示すように、半導体基板12xの上面12aとトレンチ22の内面(すなわち、底面と側面)に、薄い酸化膜50を形成する。酸化膜50は、酸化シリコンにより構成されており、絶縁性を有する。半導体基板12xの表面を酸化させることで、酸化膜50を形成することができる。
Next, as illustrated in FIG. 6, a
次に、図7に示すように、異方性のドライエッチングによって、半導体基板12xの上面12a上とトレンチ22の底面上の酸化膜50を除去する。トレンチ22の側面には、酸化膜50を残存させる。
Next, as shown in FIG. 7, the
次に、図8に示すように、トレンチ22の底面にアルミニウムイオンを注入することによって、底部半導体領域36を形成する。また、トレンチ22の長手方向の側面にアルミニウムイオンを注入することによって、接続半導体領域38を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, the
次に、図9に示すように、半導体基板12xの上面12aとトレンチ22の内面(すなわち、トレンチ22の底面と酸化膜50の表面)に、金属層52(例えば、ニッケル層)を成膜する。
Next, as shown in FIG. 9, a metal layer 52 (for example, a nickel layer) is formed on the
次に、半導体基板12xを約700℃で熱処理する。トレンチ22の底面では、金属層52と半導体基板12xとが直接接触しているので、金属層52(すなわち、ニッケル)と半導体基板12x中のシリコンが合金化(シリサイド化)する。これによって、図10に示すように、トレンチ22の底部に、導体層40が形成される。また、半導体基板12xの上面12aでも、金属層52の合金化により導体層40が形成される。トレンチ22の側面では、金属層52が半導体基板12xの間に酸化膜50が存在しているので、合金化反応は生じない。導体層40を形成したら、図11に示すように、エッチング(例えば、リン硝酢酸ウェットエッチング)によって、合金化しなかった金属層52を除去する。このとき、導体層40はほとんどエッチングされないので、導体層40を残存させることができる。さらに、エッチング(例えば、フッ酸エッチング)によって、酸化膜50を除去する。その後、半導体基板12xを約1000℃で熱処理して、合金化(シリサイド化)の反応を促進する。これによって、導体層40の抵抗が低減されるとともに、導体層40の底部半導体領域36に対するコンタクト抵抗が低減される。
Next, the
次に、LP−CVD等によってトレンチ22内に酸化シリコンを埋め込み、その後に酸化シリコンをエッチングする。これによって、図12に示すように、底部絶縁層24が形成される。その後、従来周知の方法により、ゲート絶縁層25、ゲート電極26、層間絶縁膜28、上部電極70及び下部電極72等を形成することで、図1〜3に示すMOSFET10が完成する。なお、半導体基板12xの上面12a上の導体層40は、上部電極70の形成前に除去してもよいし、上部電極70の一部として利用してもよい。
Next, silicon oxide is buried in the
なお、上述した実施形態では、接続半導体領域38がトレンチ22の長手方向の側面に設けられていた。しかしながら、接続半導体領域38は、トレンチ22の側面の任意の部分に設けることができる。例えば、図13に示すように、トレンチ22の短手方向の側面の一部に接続半導体領域38を設けてもよい。この場合、接続半導体領域38を有する部分のトレンチ22の断面は、図14の構造となる。このような構成でも、導体層40によってトレンチ22の長手方向におけるホールの流れが促進されるので、上述した実施形態と同様の効果が得られる。但し、接続半導体領域38を形成した位置ではMOSFETの主電流が流れないので、接続半導体領域38の数はなるべく少ないことが好ましい。他方、底部半導体領域36全体により短時間でホールを供給するには、接続半導体領域38をより分散して配置することが好ましい。接続半導体領域38の数とその配置を最適化するために、上述した実施形態(図1)のように、接続半導体領域38をトレンチ22の長手方向の両端部に配置し、両端部近傍まで伸びるように導体層40を設ける構造がより好ましい。
In the above-described embodiment, the
なお、上述した実施形態では、導体層40の材料としてニッケルシリサイドを用いたが、チタンシリサイド、チタンカーバイド、アルミニウムシリサイド、アルミニウムカーバイド等を用いてもよい。また、SiCと反応性が有る鉄(Fe)や銅(Cu)を主成分とした化合物を導体層40の材料として用いてもよい。また、導体層40によるチャネル部の金属汚染を防止するために、底部絶縁層24の厚みはなるべく厚いことが好ましい。底部絶縁層24の厚みは、100nm以上であることが好ましく、500nm以上であることがより好ましい。また、底部絶縁層24は、酸化シリコン以外の絶縁体(例えば、酸化アルミニウム(Al2O3))により構成されていてもよい。
In the embodiment described above, nickel silicide is used as the material of the
また、上述した実施形態では、nチャネル型のMOSFETについて説明したが、pチャネル型のMOSFETに本明細書に開示の技術を適用してもよい。上述した実施形態のn型領域とp型領域を入れ換えることで、pチャネル型のMOSFETを構成することができる。 In the above-described embodiments, the n-channel MOSFET has been described. However, the technology disclosed in this specification may be applied to a p-channel MOSFET. By replacing the n-type region and the p-type region in the above-described embodiment, a p-channel MOSFET can be configured.
また、上述した実施形態では、トレンチ22の長手方向において、導体層40がトレンチ22の底面の略全域に設けられていた。しかしながら、トレンチ22の長手方向において、導体層40がトレンチ22の底面の一部にのみ設けられていてもよい。このような構成でも、トレンチ22の底面において、導体層40によってホールがトレンチ22の長手方向に移動し易くなり、底部半導体領域36全体に短時間でホールを供給することができる。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態の各構成要素と請求項の各構成要素との関係について説明する。実施形態のソース領域30は、請求項の第1半導体領域の一例である。実施形態のドリフト領域34は、請求項の第2半導体領域の一例である。実施形態の酸化膜50は、請求項の保護膜の一例である。
The relationship between each component of the embodiment described above and each component of the claims will be described. The
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。 The technical elements disclosed in this specification are listed below. The following technical elements are each independently useful.
本明細書が開示する一例の構成では、接続半導体領域が、トレンチの長手方向の一方の端部の側面に沿って伸びる第1部分と、他方の端部の側面に沿って伸びる第2部分を有している。 In the configuration of an example disclosed in the present specification, the connection semiconductor region includes a first portion extending along the side surface of one end portion in the longitudinal direction of the trench and a second portion extending along the side surface of the other end portion. Have.
この構成によれば、トレンチの両端部から底部半導体領域に電荷が供給されるので、底部半導体領域の周囲のドリフト領域の抵抗がより速く低下する。 According to this configuration, since electric charges are supplied from both ends of the trench to the bottom semiconductor region, the resistance of the drift region around the bottom semiconductor region is more quickly reduced.
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.
10:MOSFET
12:半導体基板
22:トレンチ
24:底部絶縁層
25:ゲート絶縁層
26:ゲート電極
28:層間絶縁膜
30:ソース領域
32:ボディ領域
34:ドリフト領域
35:ドレイン領域
36:底部半導体領域
38:接続半導体領域
40:導体層
70:上部電極
72:下部電極
10: MOSFET
12: Semiconductor substrate 22: Trench 24: Bottom insulating layer 25: Gate insulating layer 26: Gate electrode 28: Interlayer insulating film 30: Source region 32: Body region 34: Drift region 35: Drain region 36: Bottom semiconductor region 38: Connection Semiconductor region 40: Conductor layer 70: Upper electrode 72: Lower electrode
Claims (3)
前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、
前記トレンチの底面に接するように前記トレンチの長手方向に沿って伸びる導体層と、
前記導体層の上面を覆う底部絶縁層と、
前記底部絶縁層よりも上側の前記トレンチの側面を覆うゲート絶縁層と、
前記トレンチの内部に配置されており、前記底部絶縁層及び前記ゲート絶縁層によって前記半導体基板及び前記導体層から絶縁されているゲート電極、
を有し、
前記半導体基板が、
前記ゲート絶縁層に接する第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の下側で前記ゲート絶縁層に接する第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁層に接しており、前記ボディ領域によって前記第1半導体領域から分離されている第1導電型の第2半導体領域と、
前記導体層に接するように前記トレンチの長手方向に沿って伸び、前記第2半導体領域に接する第2導電型の底部半導体領域と、
前記トレンチの側面の一部に沿って伸び、前記ボディ領域と前記底部半導体領域に接続されている第2導電型の接続半導体領域、
を有するスイッチング装置。 A semiconductor substrate;
A trench provided on an upper surface of the semiconductor substrate;
A conductor layer extending along the longitudinal direction of the trench so as to contact the bottom surface of the trench;
A bottom insulating layer covering the top surface of the conductor layer;
A gate insulating layer covering a side surface of the trench above the bottom insulating layer;
A gate electrode disposed within the trench and insulated from the semiconductor substrate and the conductor layer by the bottom insulating layer and the gate insulating layer;
Have
The semiconductor substrate is
A first semiconductor region of a first conductivity type in contact with the gate insulating layer;
A body region of a second conductivity type in contact with the gate insulating layer under the first semiconductor region;
A second semiconductor region of a first conductivity type that is in contact with the gate insulating layer under the body region and is separated from the first semiconductor region by the body region;
A bottom semiconductor region of a second conductivity type extending along a longitudinal direction of the trench so as to be in contact with the conductor layer and in contact with the second semiconductor region;
A connection semiconductor region of a second conductivity type extending along a part of the side surface of the trench and connected to the body region and the bottom semiconductor region;
A switching device.
請求項1のスイッチング装置。 The connection semiconductor region has a first portion extending along a side surface of one end portion in the longitudinal direction of the trench, and a second portion extending along a side surface of the other end portion.
The switching device according to claim 1.
前記トレンチの底面が露出するように前記トレンチの側面を覆う保護膜を成膜する工程と、
前記保護膜と前記トレンチの底面を覆う金属層を形成する工程と、
前記金属層を加熱することによって前記金属層と前記トレンチの底面が合金化した導体層を形成する工程と、
前記導体層が残存するように前記保護膜を覆う前記金属層をエッチングにより除去する工程と、
前記導体層と前記トレンチを用いて、スイッチング装置を完成させる工程、
を有しており、
前記スイッチング装置が、
前記導体層の上面を覆う底部絶縁層と、
前記底部絶縁層よりも上側の前記トレンチの側面を覆うゲート絶縁層と、
前記トレンチの内部に配置されており、前記底部絶縁層及び前記ゲート絶縁層によって前記半導体基板及び前記導体層から絶縁されているゲート電極と、
前記ゲート絶縁層に接する第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の下側で前記ゲート絶縁層に接する第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁層に接し、前記ボディ領域によって前記第1半導体領域から分離されている第1導電型の第2半導体領域と、
前記導体層に接するように前記トレンチの長手方向に沿って伸び、前記第2半導体領域に接する第2導電型の底部半導体領域と、
前記トレンチの側面の一部に沿って伸び、前記ボディ領域と前記底部半導体領域に接続されている第2導電型の接続半導体領域、
を有する、
製造方法。 Forming a trench on the upper surface of the semiconductor substrate;
Forming a protective film covering a side surface of the trench so that a bottom surface of the trench is exposed;
Forming a metal layer covering the protective film and the bottom of the trench;
Forming a conductor layer in which the bottom surface of the metal layer and the trench are alloyed by heating the metal layer;
Removing the metal layer covering the protective film by etching so that the conductor layer remains; and
A step of completing a switching device using the conductor layer and the trench;
Have
The switching device is
A bottom insulating layer covering the top surface of the conductor layer;
A gate insulating layer covering a side surface of the trench above the bottom insulating layer;
A gate electrode disposed within the trench and insulated from the semiconductor substrate and the conductor layer by the bottom insulating layer and the gate insulating layer;
A first semiconductor region of a first conductivity type in contact with the gate insulating layer;
A body region of a second conductivity type in contact with the gate insulating layer under the first semiconductor region;
A second semiconductor region of a first conductivity type in contact with the gate insulating layer under the body region and separated from the first semiconductor region by the body region;
A bottom semiconductor region of a second conductivity type extending along a longitudinal direction of the trench so as to be in contact with the conductor layer and in contact with the second semiconductor region;
A connection semiconductor region of a second conductivity type extending along a part of the side surface of the trench and connected to the body region and the bottom semiconductor region;
Having
Production method.
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